工程硕士“模拟集成电路设计”课程探索

王 豪，常 胜，黄启俊，何 进，陈 曦

(武汉大学1.微电子与信息技术研究院;2.物理科学与技术学院，湖北武汉430072)

我国微电子技术在快速发展的同时，和世界上发达国家仍存在较大差距。技术核心芯片以及具有自主知识产权的消费类IC解决方案的进展仍不尽人意。我国教育部和科技部自2003年起实施了集成电路人才培养体系的建设工作，先后设立了国家集成电路人才培养基地和国家集成电路设计产业化基地，并在全国71所院校中实行了集成电路工程硕士培养［1]。

集成电路工程硕士的培养体系，一方面与传统的微电子学与固体电子学普通硕士的培养体系具有交叉性，另一方面，工程硕士的复合型和实用性人才培养方面有其自身特点，在教学内容、教学方法实验手段等提出了新的要求。

“模拟集成电路设计”作为一门工程硕士的主干课，与其他课程有很强的联系，如“模拟电子线路”、“半导体器件物理”和“集成电路版图设计”等。一方面，“模拟集成电路设计”具有很强的理论性，特别是对于本科非电子科技专业的学生，需要掌握基本分析方法和电路特征，达到在设计实践中灵活应用，需要一个过程。另一方面，“模拟集成电路设计”又具有很强的实践性，如果仅强调理论知识学习，学生很难建立一种感性认识。他们需要通过电路设计实践，基于现代IC设计工具，建立对不同基本模拟电路结构的感性认识，体现其特性差异。

1 教材和教学内容的选取

1.1 教材选取

在普通硕士教育中，“模拟集成电路设计”课程多基于理论性和全面性，一般都会选取业界的原版教材或中译版等经典教材［2－4]。而在集成电路专业的工程硕士教育中，我们选取了《国务院学位委员会集成电路工程硕士教育协作组》和《全国集成电路人才培养基地专家指导委员会》组织编写的教材［5] 。相对于文献［2] ，它在全面介绍了基本电路结构的同时，理论难度有所降低，并以大量篇幅补充了工业标准IC设计软件的设置和应用，并把工具软件的应用贯穿整本教材，具备很强的基础性和实用性。

1.2 课程内容组织

在选定教材的基础上，我们对课程内容进行如下安排:①绪论部分，除了介绍模拟集成电路设计的基本概念、流程和工艺外，对MOS器件的物理图景、器件模型、I-V特性推导和器件二级效应等知识进行补充;②在基本电路单元部分，主要安排三种基本形态的单级放大器及其变形，电流镜、电流源及其应用、差分放大器、运算放大器及其应用等内容;③在学习基本电路结构的同时，贯穿对电路分析能力的培养，着重掌握大信号分析、小信号分析、频率响应分析、噪声分析和反馈系统分析等基本方法。

1.3 课程知识补充

在“模拟集成电路设计”课程中，MOS器件不能作为一个黑盒子来理解，尤其是工程硕士课程中有不少从非电子专业考入的学生，不了解MOS器件物理知识，因而需要进行适当的补充。主要补充内容为MOS器件工作原理，了解和掌握MOS器件工作在不同区域的物理情景，以及推导和理解I-V曲线。对MOS器件的二级效应内容，主要补充与电路分析紧密的沟道长度调制效应和体效应，掌握其对小信号电阻的影响和背栅效应。

模拟集成电路的物理设计(即版图设计)，也是完整设计流程的重要一环，对此也进行了扩充。基于EDA工具，以反相器为例，进行了从前端到版图的完整设计流程，包括前仿真、版图设计、DRC(设计规则检查)、ERC(电气规则检查)、LPE(版图参数提取)和LVS(版图和原理图一致性检查)。就此实现了后仿真，并与前仿真结果进行比较，加深了对集成电路设计流程的理解和对工具的应用。

2 与相关课程的比较和联系

“模拟集成电路设计”作为一门主干课程，和不少相关课程都有很强的联系。在授课的过程中，我们可以借助课程间的比较和联系来讲解。例如，“模拟集成电路设计”和“模拟电子线路”具有很强的交叉性，单级放大器、电流镜、差分放大器和负反馈等内容，两门课程均有涉及。当代半导体工业的工艺特点，决定了“模拟集成电路设计”课程中以CMOS电路为主干，而“模拟电子线路”中对双极型晶体管涉及较多，对CMOS涉及较少。在授课中，把CMOS结构中的共源、共漏、共栅结构与双极型晶体管中的共射、共集和共基结构进行比较，既对原有知识进行回顾，也加深了学生的理解。对电流镜、差分放大器和负反馈等内容，通过与“模拟电子线路”中相关内容的关联，从原有的知识入手，通过归类和比较来学习，有利于加深认识。

“模拟集成电路设计”与底层的物理设计较紧密，而“数字集成电路设计”则建立在较上层的抽象层次上。为了给学生建立它们之间的关联，在前者完成了反相器的实验后，即向逻辑电路延伸，设计与非门和或非门等基本逻辑，并利用已完成的基本逻辑单元构成触发器，从而深化了与后者的联系，也有助于学生理解集成电路设计流程中的层次关系。

3 实践和实验的结合

3.1 设计工具的掌握

“模拟集成电路设计”具有很强的实践性，在以应用性和实践性为导向的工程硕士教育中，这一点更是重中之重，让学生能够在掌握理论知识的基础上灵活应用［6]。考虑到基于SPice工具的电路仿真，不能够满足集成电路设计的要求［7，8]，而且集成电路的性能与选用的工艺也有很强的相关性。因此，在基本理论授课之后，进行基于集成电路设计工具软件的上机实践是非常必要的。在设计流程中应用MOSIS工艺文件，为降低入门难度，根据实验的内容，对其设计规则进行了适当简化。

实践内容包括不同结构的单级放大器和差分放大器的电路级仿真，重点强调对直流、交流、瞬态的分析方法的理解和掌握，把理论知识和集成电路仿真联系起来。在掌握了电路级仿真工具和方法后，以反相器为例，进行了从前端到版图的完整设计。即要求学生对反相器分别建立电路图、符号和版图的视图，为反相器建立测试基准。他们通过调用符号视图，实现前端仿真，在完成版图设计和寄生参数提取后，根据提取规则生成提取版图，再基于测试基准进行后仿真。

3.2 综合实验的强化

在完成了基本实验的基础上，为了进一步培养学生的动手能力，为一些学有余力的学生开设了可选综合实验。我们在综合实验中采用项目导向和产品导向的思路，强调学生的主观能动性。我们参照企业中的项目运作模式，模拟了从前期调研、项目执行到市场影响的整个流程。项目内容由学生自行提出，自愿组合，2～5人不等。推选一名专业能力和组织协调能力较强的学生作为项目经理负责项目计划、项目实施、质量控制和项目营销。对于市场营销的部分，采用项目展示和专家答辩的方法进行，完整模拟了一个项目的实施过程。这一流程对学生的综合素质，主要包括团队合作、业务知识、交往能力、表达能力和营销能力都提出了要求。通过这样的模拟项目运作，有助于学生提高个人素质，也有助于他们尽早找准自我定位。

4 结语

在近四年来的教学中，笔者对工程硕士“模拟集成电路设计”课程的教学进行了探索。在与部分学生的交流和学生的课堂表现中看到，此部分教学内容、教学方法和实验设置的探索取得了良好的效果，使学生对课程具有显著的学习兴趣和课程关注度。

从用人单位的反馈看，这种教学探索有助于课堂学习和生产实践的对接，学生较好地掌握了模拟集成电路设计工具和流程，具有较强的实践动手能力，在走进工作岗位后有较强的主动性和目标性，对企业环境适应快。

［1] 教高［2003] 2号.教育部、科技部关于批准有关高等学校建设国家集成电路人才培养基地的通知［J] .北京:中国现代教育装备，2004(02):61-62.

［2] Behzad Razavi.Design of Analog CMOS Integrated Circuits［M] .McGraw－Hill Boston，MA，2001.

［3] Phillip E.Allen，Douglas R.Holberg.CMOS Analog Circuit Design.Second Edition［M] .Oxford University Press，2002.

［4] Paul R.Gray，Paul J.Hurst，Stephen H.Lewis，Robert G.Meyer.Analysis and Design of Analog Integrated Circuits.Fifth Edition［M] .John Wiley＆Sons，2009.

［5] 何乐年，王忆.模拟集成电路设计与仿真［M] .北京:科学出版社，2008.

［6] 杜晓晴.电子专业课授课方式的选取［J] .南京:电气电子教学学报，2009，31(S1):63-65.

［7] 余华，文玉梅.电子信息大类专业的微电子工程教育平台建设与研究［J] .南京:电气电子教学学报，2009，31(S1):137-139.

［8] 袁颖等.集成电路设计实践教学平台建设的研究［J] .南京:电气电子教学学报，2007，29(S1):83-85.